Лизосомные болезни накопления
Голубев Михаил Аркадьевич
Описание
Лизосомные болезни накопления – группа заболеваний, связанных с нарушением функции лизосом, характеризующихся накоплением различных молекул, которые не способны далее утилизироваться клетками. К таким веществам относятся липиды, полисахариды, соединения белков с углеводами (мукополисахариды).
Лизосомные болезни накопления представляют собой редкие наследственные заболевания, связанные с потерей активности лизосомных ферментов. В результате нарушения работы ферментов различные промежуточные молекулы накапливаются в лизосомах и цитоплазме клеток. Длительное накопление неусвоенных молекул приводит к нарушению нормальной работы органов и систем с развитием различных клинических проявлений.
Лизосомы – структурный компонент многих клеток организма человека. Морфологически они представляют собой пузырьки, располагающиеся во взвешенном состоянии в цитоплазме клеток, которые сформировались при отделении от аппарата Гольджи. Лизосома имеет мембрану, образованную двойным липидным слоем, а в содержимом находится небольшие гранулы, состоящие из белковых структур в которых в большом количестве находится около 60 различных ферментов из вида гидролаз, которые способны расщеплять различные вещества. Например, белки распадаются под действием таких ферментов до аминокислот, триглицериды до жирных кислот и глицерина, гликоген метаболизируется до глюкозы, субстратом для ряда лизосомальных ферментов служат также нуклеиновые кислоты (ДНК). Такие ферментативные реакции происходят в норме, поддерживая работу всех клеток на нормальном физиологическом уровне, обеспечивая клетки необходимыми веществами. Можно сказать, что лизосомы образуют, своего рода пищеварительную структуру внутри клеток, участвуя в «переваривании» питательных веществ попавших в клетку и в удалении избытка накопившихся в клетке молекул. Они участвуют также в защитной функции - удалении поврежденных элементов клеток и уничтожают чужеродные структуры, например бактерии. Мембрана лизосом построена таким образом, что она препятствует выходу лизосомальных ферментов, что в норме препятствует «самоперевариванию» клетки.
Повреждение функции лизосом может носить первичный характер и вторичные механизмы повреждения. Под первичным характером нарушения работы лизосом в случае нарушения работы лизосомальных ферментов понимают нарушение их синтеза, врожденного (наследственного) характера, приводящего к патологическому накоплению какого-либо вещества, что зависит от недостаточного определенного фермента. Говоря о вторичном поражении, подразумевают повреждение мембран лизосом, например при действии ряда химических веществ, в период активации перекисного окисления липидов (ПОЛ), при влиянии микотоксинов (токсины, вырабатываемые плесневыми грибами).
Наследственные болезни обмена веществ довольно обширная группа заболеваний, регистрирующихся в педиатрической практике. В настоящее время наследственных болезней обмена насчитывают около 800 с частотой в популяции около 1:1000 живорожденных. Лизосомные болезни накопления относятся к редким, так называемым орфанным заболеваниям. Частота отдельных форм колеблется от 1:40 000 до 1:1 000 000 и реже с суммарной частотой 1:7000- 1:8000 новорожденных. В этой группе болезней лизосомные болезни накопления включают около 60 нозологических форм, которые часто приводят к гибели уже в раннем возрасте.
К наиболее изученным лизосомным болезням накопления относятся: болезнь Гоше (недостаток фермента β-глюкоцереброзидазы), болезнь Ниманна-Пика (недостаточность фермента сфингомиелиназы), болезнь Фабри (дефект галактозидазы), болезнь Помпе (дефект альфа-1,4-глюкозидазы), болезнь Тея-Сакса (дефект β-гексозаминидазы A), лейкодистрофия (болезнь Краббе, болезнь Пелициуса-Мерцбахера и др.), метахроматическая лейкодистрофия, дефект арилсульфатазы A, мукополисахаридозы, муколипидозы и другие.
Многие из них передаются по аутосомно-рецессивному типу передачи наследственной информации. К таким из наиболее известных болезней относятся также фенилкетонурия, муковисцидоз, спинальная мышечная атрофия. При этом механизме передачи болезни необходимо, чтобы мутированный ген передался ребенку от обоих родителей, которые являются носителями дефектного гена и клинически здоровых (по одно копии от отца и матери). Риск появления больного ребенка у таких родителей составляет 25%. Болезнь Фабри и синдром Гунтера (мукополисахаридоз II типа) наследуются через половую хромосому (Х-хромосома).
Симптомы
Лизосомные болезни накопления клинически проявляются с рождения и носят постепенный прогрессирующий характер, что обусловливает нарастание выраженности фенотипических признаков с возрастом. Наиболее выраженные изменения распространяются на поражение скелета, нейропатологию, висцеральную органомегалию (в данном случае увеличение печени и селезенки). Клинические проявления лизосомных болезней накопления характеризуются значительной вариабельностью. Они могут начинаться с тяжелой водянки плода, а также ранними проявлениями легких и малосимптомных форм, которые встречаются и у взрослых.
В зависимости от дефекта фермента и, соответственно, нарушения обмена тех или иных веществ – углеводов, липидов, белков у пациентов будут определяться характерные признаки.
Достаточно изученными лизосомными болезнями накопления и при наличии которых применяется заместительная терапия, разрабатываются подходы ферментной терапия являются – болезнь Гоше, болезнь Фабри, болезнь Ниманна-Пика, болезнь Помпе, мукополисахаридоз 1 типа.
При болезни Гоше к главным мишеням поражения относятся селезенка, печень, легкие, а также костная ткань и костный мозг. Если фермент β-глюкоцереброзидаза отсутствует полностью, то регистрируется неблагоприятный исход уже во время беременности или в периоде после рождения. Выделяют три типа болезни в зависимости от степени вовлечения центральной нервной системы: ненейронопатическая/висцеральная
(характеризуется отсутствием неврологических проявлений) форма, острая нейронопатическая и подострая нейронопатическая. Манифестация болезни чрезвычайно разнообразна и зависит от степени вовлечения различных органов, но не связана непосредственно с самой мутацией. При всех типах болезни Гоше обязательным компонентом считаются висцеральные поражения, отсюда самыми частыми симптомами являются гепатомегалия (увеличение печени), спленомегалия (увеличение селезенки), анемия, тромбоцитопения, остеопатии. Первая форма наиболее благоприятная – пациенты могут доживать до старости. При 2-й форме средняя продолжительность жизни детей в интервале 2-4 лет. Симптомы болезни включают гепатоспленомегалию, регресс психомоторного развития, спастический синдром, эпистотонус, парез глазодвигательных нервов, ларингоспазм, дисфагию, бульбарный паралич, клонико-тонические судороги. Третий тип болезни Гоше характеризуется ранним увеличением печени и селезенки с периода новорожденности. Продолжительность жизни в среднем 30-40 лет.
Болезнь Фабри обусловлена снижением или отсутствием активности фермента α-галактозидазы А. Дефицит фермента приводит к накоплению гликосфинголипидов в лизосомах клеток различных органов, включая сердце, почки, нервную систему и эндотелий сосудов. Без лечения летальный исход обычно наступает между 40-50 лет жизни от сердечно-сосудистых, цереброваскулярных осложнений, а также из-за развития почечной недостаточности.
Дефект лизосомной кислой липазы (болезнь Вольмана) проявляется в уменьшении гидролиза эфиров холестерина и триглицеридов и их отложения в лизосомах клеток печени - Купферовских клеток и гепатоцитах. У большинства детей в начальном периоде болезни регистрируются поражения сердца и сосудов, более у 890% детей определяется нарушения печени, у трети - поражение селезенки, почти у четверти обнаруживают изменения в желудочно-кишечном тракте.
Болезнь Помпе – гликогеновая болезнь II типа, характеризуется накоплением гликогена практически во всех органах при его нормальной структуре. При развитии кардиореспираторной недостаточности смертельный исход ребенка обычно происходит в возрасте до 2-х лет.
При болезни Ниманна-Пика (сфингомиелиноз) происходит накопление холестерина и гликосфинголипидов. Основными клиническими признаками является увеличение печени и селезенки, отложение сфингомиелина в ретикулоэндотелиальных и паренхиматозных тканях, вовлечение или без вовлечения центральной нервной системы. Тип А болезни Ниманна-Пика протекает с тяжелым поражением ЦНС, прогрессирующими психомоторными нарушениями и фатальным исходом в первые годы жизни (обычно в возрасте до 3-х лет). Тип В - имеет хроническое течение с поражением висцеральных органов, но без явного вовлечения ЦНС, характеризуется развитием гепатоспленомегалии и поражением легких (тяжелые инфекции дыхательных путей). Пациенты могут доживать до подросткового и взрослого периода. Третий тип С - проявляется гепатоспленомегалией и неврологической деградацией, ведущих к раннему неблагоприятному исходу. В типичных случаях среди неврологических нарушений определяются атаксия, дизартрия, дисфагия, прогрессирующая деменция, один из наиболее частых признаков - вертикальный паралич взора. Нередко выявляются также судороги, дистония, катаплексия (эпизод мышечной слабости). При поздней манифестацией болезни возможны психические нарушения. Постепенно развивается слепота. При типе В и С болезни Ниманна-Пика средний срок жизни находится в интервале 5-15 лет.
При нарушении расщепления ганлиозидов (форма липидов) лизосомальным ферментом – бета-N-ацетилгексозаминидазой происходит накопление ганглиозидов. Данная патология названа в честь исследователей – болезнь Тея-Сакса. Накопление ганглиозидов приводит к деструкции мембран нейронов, вследствие чего у пациентов возникает задержка моторного развития, нарушается психическое и физическое развитие. Клинические признаки наблюдаются уже на первом году жизни – отставание в развитии, трудности в кормлении. Далее поражается сетчатка глаза, приводящая к слепоте, поражены клетки головного мозга. Летальный исход наступает обычно до 3-х лет.
Обнаружены еще десятки лизосомных болезней накопления, которые во многом протекают фатально для человека в различном возрастном диапазоне или в относительно благоприятной форме, поддаваясь современным методам лечения.
Формы
В настоящее время выделяют следующие группы лизосомных болезней накопления: 1. Мукополисахаридозы; 2. Липидозы (сфинголипидозы - GM1- и GM2-ганглиозидозы, болезнь Гоше, галактосиалидоз, гранулематоз Фарбера, лейкодистрофии, болезнь Ниманна-Пика типы А и В и др.); 3. Муколипидозы; 4) Гликопротеинозы (фукозидоз, сиалидоз, маннозидоз, болезнь накопления гликогена II типа/болезнь Помпе, болезнь Данон и др.); 5. Нейрональные цероидные липофусцинозы; 6. Другие болезни накопления (болезнь Ниманна-Пика тип С, болезнь Вольмана, болезнь накопления холестерина, цистиноз, пикнодизостоз и др.).
Причины
Большинство лизосомных болезней накопления являются ферментопатиями. Нарушение работы ферментов, находящихся в лизосомах и участвующих в превращении веществ, принадлежащих к разным видам (липиды, углеводы) приводит к накоплению промежуточных продуктов этих соединений и появлению часто фатальных для человека изменений в органах и тканях. Показано, что в основе лизосомных болезней накопления лежат мутации генов, приводящие к нарушению процессов синтеза, катаболизма и транспорта лизосомных ферментов, а также белков-активаторов или транспортных белков, контролирующих транспорт молекул, подлежащих дальнейшим превращениям.
В основе патогенеза болезни Гоше лежит первичный дефицит лизосомного фермента кислой β-глюкозидазы, который ведет к накоплению неразрушенного субстрата глюкозилцерамида в органах, содержащих большое количество клеток, относящихся к макрофагам.
Причиной возникновения болезни Фабри являются мутации гена GLA, кодирующего фермент альфа-галактозидазу А. В результате мутации в лизосомах эндотелиальных и гладкомышечных клетках сосудов, эпителиальных клеток большинства органов, центральной нервной системы, сердца происходит накопление гликосфинголипидов с последующим нарушением нормальной жизнедеятельности этих клеток.
Причиной дефицита кислой сфингомиелиназы (болезнь Ниманна-Пика) являются мутации гена SMPD1. Патологическое накопление сфингомиелина в клетках моноцитарно-макрофагального ряда ретикулоэндотелиальной системы проявляется гепатоспленомегалией, интерстициальной болезнью легких, инфильтрацией костного мозга. Накопление сфингомиелина происходит еще внутриутробно и обнаруживается на 12-й недели гестации. Биопсия печени у пациентов с болезнью Ниманна-Пика выявляет перипортальный и перицеллюларный фиброз, окружающий аффектированные Купферовские клетки, отложения сфингомиелина и инфильтрацию макрофагами. Третий тип болезни Ниманна-Пика Тип С вызван мутацией в генах NPC1 и NPC2 ответственных за внутриклеточный транспорт липидов, включая холестерин.
Болезнь Тея-Сакса обусловлена дефицитом фермента β-гексозаминидазы А (HexA), в результате чего происходит накопление GM2-ганглиозидов в нервной и других тканях организма. Дефицит фермента возникает вследствие различных мутаций гена HEXA в котором закодирована аминокислотная последовательность фермента. Тяжесть клинических признаков при болезни Тея-Сакса определяется остаточной активностью HexA, зависящей от типа (вида) мутации.
Методы диагностики
Диагностика синдрома лизосомных болезней накопления проводится педиатром, врачом-терапевтом, генетиком, врачами других специальностей и осуществляется на основании данных анамнеза, клинического осмотра, применения лабораторных и инструментальных методов обследования.
Диагностика лизосомных болезней накопления у детей из-за высокой вариабельности клинических проявлений часто затруднительна, особенно на ранних сроках проявления заболевания.
При осмотре детей с подозрением на данную патологию может выявляться отставание в развитии, задержка психомоторного развития, увеличение печени и селезенки, различная неврологическая симптоматика, нарушение зрения, поражение сердечно-сосудистой и дыхательной системы.
Основу диагностики болезней накопления составляет гистологическое исследование тканей и биохимические методы обнаружения накопления различных метаболитов липидов, углеводов в тканях. Для верификации диагноза проводят исследование активности лизосомных ферментов и генетическое исследование генов с целью обнаружения мутаций генов в которых закодирована аминокислотная последовательность лизосомных ферментов.
При поражении органов и систем дополнительными методами диагностики являются инструментальные методы – УЗИ, компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), ЭКГ.
Разработана экспертная система «ГенДиЭС» на основе методов искусственного интеллекта для поддержки принятия решений на долабораторном этапе диагностики лизосомных болезней накопления, которая продемонстрировала эффективность в 87,4% случаев при формировании узкого дифференциально-диагностического ряда. Принятие решений осуществляется с использованием продукционных правил и включает модель заболевания с эталонными вариантами клинических форм.
Основные используемые лабораторные исследования
- Биохимический анализ тканей для определения накопления липидов, углеводов.
- Гистологическое исследование биопсийного материала (кожа, печень, почки, культура фибробластов и др.).
- Исследование активности ферментов лизосом.
- Выявление мутаций в генах лизосомных ферментов (секвенирование ДНК).
Основные используемые инструментальные исследования
- Ультразвуковое исследование (УЗИ).
- Компьютерная томография (КТ).
- Магнитно-резонансная томография (МРТ).
- Электрокардиография (ЭКГ).
Лечение
До недавнего времени лечение больных с лизосомными болезнями накопления носило симптоматический характер. Ведущее место в лечении занимает ферментозаместительная терапия. В настоящее время, помимо ферментозаместительной терапии в практику лечения внедряются - терапия с ограничением синтеза субстратов (ферментредуцирующая терапия), фармакологическая шаперонотерапия, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток, обновление популяции макрофагов трансплантацией гемопоэтических стволовых клеток, субстратная депривация (подавление синтеза сфинголипидов), разрабатываются подходы к генной терапии.
В лечении лизосомных болезней накопления важное значение имеет устранение нейропатологии. Поэтому активно изучаются возможности универсального торможения нейродегенерации. Существенная роль в обеспечении клеточного гомеостаза отводится контролю и поддержанию стабильности лизосом, предотвращению их пермеабилизации как проапоптогенного фактора и освобождения катепсинов В и D. К числу таких подходов относится использование рекомбинантного белка теплового шока Hsp70 на эксперименталных моделях. Hsp70 проникая в различные органы мыши, включая ЦНС, ингибирует накопление гликосфинголипидов на мышиных моделях болезни Фабри, ганлиозидозе-MG2 (болезнь Сандхоффа), болезни Ниманна-Пика типа С, эффективно ослабляя неврологические симптомы у лабораторных животных.
Осложнения
Для многих лизосомальных болезней накопления фатальный исход наступает в первые годы жизни ребенка. При манифестации болезни и с течением времени происходит поражение многих органов и систем - развивается кардиомиопатия, нарушение функции желудочно-кишечного тракта, изменения ткани головного мозга, неврологические нарушения, проблемы с глотанием и речью, развитие слепоты, инфекции дыхательных путей/пневмония, патологические переломы, задержка полового развития, выявляется патология крови (анемия).
Профилактика
При наличии наследственных болезней обмена в семьях и при планировании ребенка нужно пройти медико-генетическое консультирование. Для выявления ряда лизосомных болезней накопления во время эмбрионального развития плода в амниотической жидкости проводят исследование активности ферментов.